Радиометрические системы широко используются в разных областях науки и техники для измерения низкоинтенсивных сигналов, уровень которых может быть ниже уровня собственных шумов этих систем. Именно это способствует их внедрению в практику измерений сигналов не только от источников излучений, расположенных на значительных расстояниях от приемных устройств, например, в радиоастрономии, радиолокации, радионавигации, но и на близких расстояниях или в контакте с источником излучения физическим телом или биологическим объектом (излучение радиотепловое или отклик на внешнее облучение) [1, 2, 3, 4]. В последнем случае для исследования представляет интерес миллиметровый (мм) диапазон длин волн. Изучение электромагнитных излучений данного диапазона может проводиться как на избранных фиксированных частотах, так и в определенном интервале частот, при этом сами радиометры целесообразнее использовать с гетеродинным преобразованием сигналов [5, 6, 7, 8, 9]. Построение такой радиометрической аппаратуры лучше осуществлять с использованием встроенных микропроцессоров, применение которых может позволить осуществлять исследование сигналов по определенной программе, а также оптимизировать и запоминать результаты измерений [10].
Постановка задачи
Таким образом, автоматизация супергетеродинного радиометра (СР), для анализа интенсивности микроволновых полей физических и биологических объектов, является актуальной задачей. В статье рассматриваются вопросы оптимизации с помощью микроЭВМ режимов выделения и измерения полезных сигналов, принимаемых антенной, на фоне превосходящих собственных шумов радиометра и обеспечения его работы в диапазоне частот свыше 100 ГГц.
Основная часть
Супергетеродинный прием электромагнитных излучений объектов мм-диапазона позволяет значительно повысить чувствительность радиометров без использования входных низкошумящих усилителей мм-диапазона. [2] Проще всего эта задача решается в корреляционных супергетеродинных радиометрах, которые состоят из двух одинаковых каналов со смесителями и общим гетеродином. [3]
На рисунке 1 приведена разработанная авторами функциональная схема автоматизированного супергетеродинного корреляционного радиометра.
Рисунок 1 - Функциональная схема супергетеродинного корреляционного радиометра
Радиометр работает следующим образом.
Принятый антенной 1 от объекта «О» шумовой полезный сигнал U1(t) имеет интенсивность, пропорциональную температуре источника электромагнитного излучения:
, (1) где, 
– чувствительность антенны;
- коэффициент излучательной способности объекта исследования;
- температура объекта исследования;
- полоса частот высокочастотной части радиометра.
Интенсивность сигнала с выхода антенны с учетом ее собственных шумов можно представить в виде суммы дисперсий некоррелированных шумов:
, (2)
где 
- дисперсия собственных шумов антенны.
Сигнал поступает на Н- и Е- входы двойного волноводного тройника (ДВТ) 2. На одном из выходов 2 формируется сигнал, пропорциональный сумме входных сигналов, а на другом разности. Шумы эквивалента антенны 3 выбирают равными соответствующим шумам антенны 1. При таком выборе дисперсия суммарного сигнала двойного волноводного тройника:
(3)
Дисперсия разностного сигнала:
(4)
Суммарный сигнал поступает на сместитель 4, а потом на согласующий усилитель 9, а разностный сигнал попадает на сместитель 8, а потом на согласующий усилитель 11.
Частотное преобразование сигналов в 4 и 8 осуществляется с помощью сигнала гетеродина 10, что поступает на смесители через вентили 5, 7 и бинарный двойник 6.
Выходной сигнал 11 поступает на первый вход ДВТ 13. На второй вход 13 через волноводный коммутатор 12, поочередно поступают выходные сигналы 9 с противоположными фазами.
Управление автоматическим переключателем 12 осуществляется CPU (по определенному закону на его выход проходит сигнал (1) или сигнал (2).
При указанном положении 12 на суммарный выход 13 формируется сигнал U2(t), в то же время на другом выходе 13 формируется разностный сигнал U3(t).
Выходные сигналы с 13 поступают на усилители 14 и 15 промежуточной частоты, в которых осуществляется основное усиление сигналов.
С помощью квадраторов 16, 17 усиленные сигналы подвергаются квадратичному преобразованию, в результате которого создаются постоянные напряжения.
Конденсатор 19 через резисторы 18 и 20 заряжается разностью напряжений. При противоположном положении 12 изменяется фаза напряжения на одном из входов 13 на 180
. Соответственно выходное напряжение U3 и U4 с учетом шумов 14 и 15 приобретают другое значение и 19, в этом случае, заряжается до другого разностного напряжения.
В результате периодического изменения фазы одного из напряжений, образующихся на 13, 19 периодически перезаряжается, что приводит к возникновению переменного напряжения частоты коммутации на входе дифференциального усилителя 21.
Симметричное переменное напряжение на входе 21 превращается в линейное переменное напряжение на его выходе, которое усиливается избирательным усилителем 22, настроенным, через CPU на частоту гетеродина встроенного в CPU.
Усиленное низкочастотное напряжение с выхода 22 выпрямляется синхронным детектором 23, который управляется CPU. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром нижних частот 24 и регистрируется прибором 28, который также передает свой результат в CPU для дальнейшего преобразования.
Изменением режима работы кодоуправляемого гетеродина 10, подбора и оптимизации частоты коммутации, полосы пропускания избирательного усилителя 22 и параметров входного фильтра дифференциального усилителя 21 с помощью микроЭВМ CPU 26 автоматически производится оптимизация режимов выделения и измерения полезного сигнала, принятого антенной 1, на фоне превосходящих собственных шумов антенны 1, элементов частотного преобразования и согласования, а также шумов усилителей 14 и 15 промежуточной частоты и обеспечивается диапазонная работа радиометра в диапазоне частот свыше 100 Ггц.
Блок схема оброботки сигналов CPU приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Блок схема обработки сигналов CPU
Структурная схема разработанного микропроцессорного блока (CPU) приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структурная схема микропроцессорного блока
Основными элементами микропроцессорного блока являются: микропроцессор (МП), тактовый генератор (ГТИ), оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программируемый контроллер клавиатуры и индикации (ПККиИ), клавиатура (К), шина адресов, шина данных, шина управления, гетеродин (G2), цифровой аналоговый преобразователь (ЦАП), монитор (P1).
Рисунок 4 - Условное обозначение ОЗУ КР537РУ10
При создании CPU должны использоваться:
- оперативно запоминающее устройство статического типа со словарной организацией К537РУ10, условное обозначение которой и наименование выводов показаны на рисунке 4. Она содержит матрицу запоминающих элементов 128×128 М, представляющую собой накопитель ёмкостью 16384 бит (16 Кбит), дешифраторы адреса строк (DCK) и столбцов (DCS), блок управления СИ, адресные и выходные формирователи и разрядные усилители записи-считывания. Режим работы устанавливается с помощью сигналов CS, OE, WE;
- ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием типа К573РФ2, условно-графическое обозначение которой приведены на рисунке 5.
Рисунок 5 - Условно-графическое обозначение ПЗУ К573РФ2
- микропроцессорный комплект КР580, в котором центральный процессор вместе с устройством управления реализован в виде отдельной БИС и имеет фиксированную разрядность и встроенную систему команд. Микропроцессорный комплект серии КР580 включает в себя: микропроцессорную БИС КР580ВМ80; программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации различного формата КР580ВВ55; программируемый блок приоритетного прерывания КР580ВН59; программируемое устройство прямого доступа к памяти КР580ВТ57; интервальный таймер КР580ВИ53; универсальный синхронно-асинхронный программируемый приемопередатчик КР580ВВ51; программируемый контроллер электронно-лучевой трубки КР580ВГ75; программируемый контроллер клавиатуры КР580ВВ79; системный контроллер КР580ВК28; тактовый генератор КР580ВК28; тактовый генератор КР580ГФ24; шинные формирователи КР580ВА86, 87; буферные регистры КР580ИР82, 83. Схемы выполнены по n-МОП технологии, входные и выходные сигналы соответствуют уровням работы ТТЛ-схем. Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой до 2 МГц. Схемы программируются с помощью фиксированного набора команд микропроцессорных БИС КР580ВМ80. Микропроцессорная БИС КР580ВМ80 представляет собой однокристальный 8-разрядный микропроцессор с двумя магистралями: однонаправленной 16-разрядной адресной магистралью (МА), двунаправленной 8-разрядной магистралью данных (МД) и 12 сигналами управления (шесть входных и шесть выходных). Структурная схема микропроцессора показана на рисунке 2. Микропроцессорная БИС рассчитана на выполнение логических и арифметических операций с 8-разрядными числами в двоичной и двоично-десятичной системах счисления, а так же операций с двойной разрядностью (с 16-разрядными числами).
Таким образом, за счет автоматизации приема и обработки шумовых (случайных) информативных сигналов удается выделять и измерять их на фоне превосходящих собственных шумов антенны, элементов частотного преобразования и согласования, а также шумов усилителей промежуточной частоты. Устройство, собранное по данной схеме обеспечивает необходимую чувствительность (флуктуационный порог чувствительности ~ 10-21 Вт/Гц×см2) и точность (погрешность измерения не превышает ±1,5 дб.). Результаты могут быть использованы при создании автоматизированного оборудования для диагностики и дефектоскопии объектов.
Выводы:
Оптимизация с помощью микроЭВМ режимов выделения и измерения полезных сигналов, принимаемых антенной, на фоне превосходящих собственных шумов радиометра, позволяет повысить чувствительность и точность измерений.
Применение перестраиваемого супергетеродинного преобразования сигналов позволяет в пределах полосы пропускания волноводных трактов и усилителей промежуточной частоты обеспечить диапазонное исследование объектов.
Предложенная схема радиометра позволяет обеспечить исследование и контроль состава и свойств биологических и физических объектов путем измерения радиотепловых и биоинформацийнных сигналов в диапазоне частот свыше 100 ГГц.
Литература:
1. Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф., Манойлов В.Ф., Куценко В.П., Гимпилевич Ю.Б. Микроволновая радиометрия физических и биологических объектов/ Под ред. Ю.А. Скрипника. Житомир: изд-во «Волынь». 2003.-408 с.
2. Скрипник Ю. А., Яненко А. Ф. Развитие представлений об излучающей и поглощающей способности биологических объектов в диапазоне сверхвысоких частот // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – № 2. – 1999. – С. 135-138.
3. Нефедов Е.И., Протопопов А.А., Семенцов А.Н., Яшин А.А. Взаимодействие физических полей с живым веществом.- Тула: ТГУ, 1995.
4. . Ситько С.П., Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф. Экспериментальное исследование излучения некоторых объектов в мм-диапазоне // Фiзика живого. – 1998. – Т. 6, № 1. – С. 15–18.
5. Корольков Н.А., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры / Г. : Наука. 1972.-416с.
6. Дубовская И. Г., Житник Н. Е., Миронов А. В. и др. Принципы моделирования и схемотехнической реализации низкоинтенсивной КВЧ диагностической и терапевтической аппаратуры / Вестник новых медицинских технологий. - 1996. - Т. 3, № 2. - С. 85-90.
7. Головко Д.Б., Скрипник Ю. О., Яненко О. П. Надвисокочастотні методи та засоби вимірювання фізичних величин: Навчальний посібник. – Київ:Либідь. – 2003. –327 с.
8. Куценко В.П. Оптимізація параметрів енергетичного впливу на біологічні об'єкти// Вісник Донецького національного університету. – Серія А „Природничі науки”. – Вип. 2/2009. – Донецький національний університет, 2009. – С.219–223.
9. Куценко В.П. Снижение погрешностей радиометрических СВЧ-измерений при исследовании биообъектов// Вісник Донецького національного університету. – Серія А „Природничі науки”. – Вип. 1/2007. – Донецький національний університет, 2007. – С.197-201.
10. Kutsenko W.P., Tregubov N.F. Сontrol-measuring complex //Вісник Черкаського державного технологічного університету, – Спецвипуск. – Черкаси.: „Брама Україна”, 2009. – С.57-59.
